KR900005488B1

KR900005488B1 - 액정표시소자

Info

Publication number: KR900005488B1
Application number: KR1019850009084A
Authority: KR
Inventors: 신지 하세가와; 야스히꼬 간도오; 다미히또 나까고미
Original assignee: 가부시끼가이샤 히다찌세이사구쇼; 미따 가쯔시게
Priority date: 1984-12-07
Filing date: 1985-12-04
Publication date: 1990-07-30
Also published as: GB8529211D0; US4693562A; KR860005242A; DE3543235A1; DE3543235C2; JPS61137127A; GB2168164B; GB2168164A

Abstract

내용 없음.

Description

액정표시소자

제1도는 시분할구동의 설명도.

제2도는 본 발명에 따른 액정표시소자의 사시도.

제3도는 시분할특성을 설명하기 위한 종래 액정표시소자의 휘도전압 특성을 도시하는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 액정표시소자 2 : 상측기판의 마찰방향

3 : 하측기판의 마찰방향 5 : 관찰방향

11 : 상측기판 12 : 하측기판

13 : 액정층 20 : 상측편광판

21 : 하측편광판 22 : 상측편광판의 흡수축

23 : 하측편광판의 흡수축 α : 트위스트각

β : 흡수축의 교차각

본 발명은 액정표시소자에 관한 것으로, 특히 시분할구동용 전계 효과형 액정표시소자의 개량에 관한 것이다.

종래의 이른바 트위스티드 네마틱 액정표시소자는, 2매의 투명전극기판간에 정의 유전율이방성을 가진 네마틱액정에 의해 90° 비틀어진 트위스티드 헬리컬구조를 가지며, 양 전극기판의 외측에는 편광판을 그 흡수축이 전극기판에 인접하는 액정분자에 대하여 직교 혹은 평행이 되도록 배치한 것이었다.

2매의 기판간에서 액정분자가 90° 비틀어진 트위스트구조를 가지도록 하기 위해선, 전극기판의 액정에 접하는 표면을 폴리이미드수지로 피복하고, 그 피복면을 직물로 한쪽방향으로 마찰하여 복수의 미세한 홈을 형성시킨다. 이 경우에 마찰면에 인접한 액정분자의 주요축은 이 한쪽방향, 즉 마찰방향과 평행을 이루게 된다. 2개의 마찰면은 일정한 간격으로 대향 배치되며, 그 마찰방향은 90°로 교차된다. 2매의 기판을 시일제로 접착하고, 그 간극에 정의 유전이방성을 가진 네마틱액정을 봉입하면, 액정분자는 그 기판간에서 대략 90° 비틀어진 트위스트구조의 분자배열을 가진다. 이와 같이 하여 구성된 액정셀의 상하에는 한쌍의 편광판을 설치하고, 그 흡수축은 각각의 기판에 인접하는 분자의 배열방향과 대략 직교 혹은 평행으로 한다. 가장 널리 사용되고 있는 종래의 반사형 액정표시소자에 있어서 하측 편광판의 외면상에는 반사기가 배치된다. 액정표시소자의 상면에 입사되는 입사광은 편광판에 의하여 선형으로 편광되며, 전압이 인가되지 않은 액정층의 부분에서는 입사광의 편광평면이 헬리컬구조를 따라 90° 회전하여 있게 된다. 그리고 편광된 입사광은 하측 편광판을 통과한다. 이 입사광은 반사기에 의하여 반사되어 표시소자의 상면으로 되돌아간다. 그러나, 전압이 인가된 액정층의 부분에 있어서는 헬리컬구조가 파괴되어 있으므로 선형으로 편광된 입사광의 편광평면은 회전을 하지 않는다. 따라서, 상부 편광판을 통과한 선형 편광판된 입사광은 하측 편광판에 의하여 차단되어 반사기에 되돌아가지 않게 된다. 이 방법에 있어서 전기신호는 액정층에 인가된 전위의 유무에 따라 영상신호로 변환시킬 수 있다.

트위스티드 네마틱 액정표시소자(이하 TN-LCD로 약칭함)는 저전압구동, 저소비전력, 박형, 경량등의 장점때문에, 손목시계, 전자계산기를 위시한 각종 공업용계기, 자동차등의 디스플레이로서 널리 사용되고 있다.

문자나 도형을 표시할 수 있는 도트매트릭스형의 TN-LCD는 포터블컴퓨터나 각종 정보기기단말용 디스플레이로서 일찍부터 주목되어 왔다. 현재 1/64 듀티로 구동하는 64×480화소, 128×480화소등의 것이 이미 제품화되고 있으나, 시장의 요구는 음극선관과 동일한 표시능력을 가진 200×640화소, 256×640화소등의 표시용량이 큰 LCD로 다시 옮겨가고 있다. 그러나, 이들의 제품화를 실현하기 위해서는 1/100듀티, 1/128듀티라고 하는 고 시분할로 구동할 필요가 있다.

이하, 도트매트릭스 디스플레이를 참조하면서 시분할구동에 관하여 약술한다. 상측 및 하측기판(도시하지 않음)상에는 제1도에 도시한 바와 같이 Y 스트라이프전극(신호전극)(33) 및 X 스트라이프전극(주사전극)(34)이 각각 형성된다. 화소, 즉 X 및 Y전극(34)(33) 교차점의 액정부는 ON상태 또는 OFF상태로 절환되어서 문자등을 디스플레이한다. n개의 주사전극(X₁, X₂, …, X_n)은 시분할방식으로 지명된 순서로 반복주사를 행한다. 주어진 주사전극(예를 들면 제1도의 X₃)이 선택되면, 디스플레이신호에 따라 선택 또는 비선택 디스플레이신호가 전극(Y₁, Y₂, …, Y_n)으로 구성된 신호전극(33)을 통하여 주어진 주사전극상의 모든 화소(P₃₁, P₃₂, …, P_3n)에 동시에 인가된다. 다시말해서, 주사전극과 신호전극의 교차점에 위치한 화소의 ON/OFF 동작은 주사전극 및 신호전극에 인가된 전압펄스의 조합에 의하여 결정된다. 이 경우에 주사전극(X)의 수는 시분할수와 일치한다.

TN-LCD의 미합중국 특허 제3,976,362호에 기재된 바와 같은 전압평균화법으로 구동하는 경우, 시분할수가 증가할수록 점등(선택) 세그먼트에 걸리는 전압실효치와 비점등(비선택) 세그먼트에 걸리는 전압실효치의 비가 작아지고 표시콘트라스트가 저하한다. 콘트라스트를 저하시킴이 없이 시분할수를 증가하기 위해서는, 휘도-전압특성곡선의 기울기를 보다 급준(急峻)하게 하여야 한다. 다시말해서, 전압에 의한 휘도변화의 급준성을 어떻게 하여 개선할 것인가가 고 시분할구동 LCD를 제품화함에 있어서의 중요한 기술과제로 되고 있다.

이 휘도변화의 급준성을 개선하기 위하여, 액정재료자체의 특성개량에 관한 연구가 활발히 진행되어 서서히 개량이 이루어지고 있으나 아직 충분한 급준성을 가진 재료를 얻는데에까지는 이르지 못하고 있다. 휘도변화의 급준성을 개선하기 위한 다른 방법으로는, 상하 전극기판 표면에 인접하는 액정분자축과 편광판의 편광축(혹은 흡수축)을 어긋나게 하여, 액정분자의 트위스트각(α)을 편광판의 편광축 혹은 흡수축의 교차각(θ)보다 크게하는 방법이 종래부터 널리 채용되고 있다.

예를 들면, 일본국 특허공개공보 소 53-134458호에는 액정분자의 트위스트각(α)을 94°∼106°의 값으로 하고, 편광판의 편광축의 교차각(θ)을 74°∼86°로 하는 구성이 기재되어 있고, 일본국 특허공개공보 소 55-95929호에는, 편광판의 편광축 혹은 흡수축간의 교차각을 액정분자의 트위스트각(α)보다 작게 하는 예로서, 액정분자의 트위스트각(α)이 85°일때 편광판의 편광축 혹은 흡수축간의 교차각을 80°, 85°, 90°, 또는 액정분자의 트위스트각(α)이 90°일때 편광판의 편광축 혹은 흡수축간의 교차각을 85°, 90°, 95°로 하는 구성이 기재되어 있고, 일본국 특허공개공보 소 56-92518호에는, 액정분자의 트위스트각(α)을 80°∼100°의 값으로 하고 편광판의 편광축의 교차각을 74°∼84°로 하는 구성이 기재되어 있고, 일본국 특허공개공보 소 59-40623호에는, 액정분자의 트위스트각(α)을 92°∼120°로 하고 편광판의 교차각(θ)이 180°≤α+θ≤210°을 만족하도록 설정하는 구성이 기재되어 있다.

그러나 상기의 구성에 있어서도 휘도-전압특성의 급준성, 표시면의 착색현상, 휘도의 시각의존성에 관한 요구를 동시에 만족시킬수는 없었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 셀구조를 종래의 액정표시소자와는 완전히 다르게 하고 트위스트각을 종래 네마틱액정분자의 헬리컬구조에서의 90°와는 다르게 함으로써 양호한 시분할구동 특성, 높은 콘트라스트 비율, 넓은 시각범위를 가질뿐만 아니라 시분할수, 즉 주사선수를 100 이상으로 하더라도 착색현상이 적은 액정표시소자를 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액정표시소자는, 한쌍의 상측 및 하측기판사이에 정의 유전율이방성을 가진 네마틱액정을 봉입하여서 길이방향을 따라 96° 내지 108°의 범위로 비틀린 헬리컬구조를 형성시키고, 상측 및 하측기판상에 배치된 한쌍의 편광판의 흡수축간의 각도를 63° 내지 73°의 범위로 하고, 액정의 굴절율 이방성 △n과 액정층 두께 d(㎛)의 곱(△n·d)을 0.69㎛ 내지 0.79㎛로 설정한 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 먼저, 제2도에 도시한 액정표시소자(1)에 있어서, 소망하는 디스플레이 패턴으로 배열된 투명전극을 가지는 2매의 기판(11)(12)과, 이들 기판의 노출면에 예를 들면 폴리이미드수지를 피복한 다음 그 피복면을 직물로써 일방향으로 마찰하여 복수의 미세한 홈을 형성시켜서 된 배향층(도시하지 않음)과의 사이에는, 정의 유전율이방성을 가진 네마틱액정(13)을 봉입한다.

액정표시소자(1)의 상측기판(11)의 마찰방향은 참조번호(2)로, 하측기판(12)의 마찰방향은 참조번호(3)으로, 상측기판에 인접한 액정분자와 하측기판에 인접한 액정분자간의 트위스트각(α)로 각각 나타낸다. 또, 상측기판(11)상의 상측 편광판과 하측기판(12)상의 하측 편광판은 각각 참조번호(20) 및 (21)로 나타내는 한편, 상측 편광판(20)의 흡수축(22)과 하측 편광판(21)의 흡수축(23)간의 각도는 (β)로 나타낸다. 액정표시소자(1)의 표면상에는 X축 및 Y축이 위치한다. X축은 액정분자의 트위스트각(α)을 양분하는 방향으로 뻗어있고, Z축은 X-Y평면에 대하여 수직을 이룬다. 관찰방향(5)과 Z축간의 각도는 관찰각도(ø)로 정의한다. 이때 관찰방향(5)는 편의상 X-Z평면상에 도시하였으나, 제2도에 있어서 관찰각도(ø)는 양의 각도이다. X-Z평면상의 어느 방향에서 관찰할 경우에는 콘트라스트가 증가하므로, 이 방향을 관찰방향(5)이라 칭한다.

다음은 시분할구동 특성을 결정하기 위한 성능파라메터에 관하여 간단히 설명한다.

제3도는 편광축이 교차되어 있는 경우 투과성 트위스티드 네마틱타입 액정표시소자의 대표적인 투과율-전압특성을 도시하는 그래프이다. 이 그래프는 광의 상대적인 투과율을 구동전압의 함수로서 나타낸 것이다. 투과율의 초기치는 100%로 하고, 전압이 충분히 높아져서 더이상 투과율이 변화하지 않게되는 말기치를 0%로 한다. 관찰각도(ø)에서, 액정표시소자가 관찰자에게 "ON"으로 보이기 시작하는 투과율 80%의 구동전압은 V(ø,80%)로 표시하고, 투과율이 더이상 감소하면 시각으로 감지할 수 없게 되는 투과율 20%의 구동전압은 V(ø,20%)로 나타내고, 배향층과는 별도로 액정재료자체의 특성을 평가하는데에 유용한 투과율 50%의 구동전압을 V(ø,50%)로 표시한다.

투과율 변화의 급준성을 평가하는 파라메터로서,

를 정의하면, γ는 1보다 크고, 1에 가까워질수록 급준성이 커지는 것을 나타낸다.

투과율의 시각의존성을 평가하는 파라메터로서,

를 정의하면, △ø는 1보다 작고, 1에 가까워질수록 시각의존성이 작아지는 것, 즉 시각범위가 넓어지는 것을 의미한다.

트위스트각(α)을 90° 이상으로 하고, 트위스트각(α)과 편광판의 흡수축끼리의 교차각(θ)과의 차이를 크게 하면 할수록 투과율-전압 특성곡선의 급준성이 개선되어 큰 효과가 얻어진다. 그러나, α와 β의 차를 너무 크게 하면 상하 전극기판 표면에 인접한 액정분자축과 편광판의 흡수축의 어긋남이 커져서 선광분산(旋光分散)에 의한 색붙임현상이 눈에 띄게 나타난다고 하는 결점이 있다.

투과율 변화의 급준성은 액정의 굴절율이방성 △n과 액정층의 두께 d의 곱 △n·d(㎛)에 의하여 크게 영향을 받는다. 일반적으로, △n·d의 증가와 함께 투과율-전압특성곡선의 급준성은 향상되고, 1.0㎛ 부근에서 거의 포화되는 경향이 있다. 한편, 관찰각도(ø)에 의한 투과율의 변화, 다시말해서 투과율의 시각의존성은 △n·d의 증가와 함께 커지고, 투과율-전압특성곡선의 급준성과는 반대의 경향을 나타낸다.

투과율을 중시하는 경우는 △n·d를 1.0㎛ 부근으로 설정하면 되지만, 관찰각도범위(표시를 충분히 읽어낼 수 있는 범위)가 좁아진다. 관찰각도 범위를 넓게 하고자 하는 경우에는 △n·d를 0.5~0.6㎛ 부근으로 설정하면 좋으나, 충분한 콘트라스트가 얻어지지 않는다.

이와는 달리, 중간 정도의 시분할수까지는 △n·d를 0.5~0.6㎛ 부근으로 설정한 경우에도 실용상 만족스러운 콘트라스트가 얻어지지만, 1/64 내지 1/100 듀티이하의 고 시분할에서는 실용상 받아들일 수 있는 콘트라스트가 얻어지지 않는다. 이 때문에 1/64 듀티이하의 고 시분할구동에서 △n·d를 1.0㎛ 부근으로 설정하면 관찰각도 범위가 좁아져 버린다.

다음은 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.

먼저, 하기의 액정조성물 Ⅰ를 조제하였다.

이 조성물 Ⅰ의 T_NI(nematic isotropic transition temperature)는 65℃, △n은 0.106이다. 역스위스트의 발생을 방지하기 위하여 키랄(chiral) 물질 C15(BDH 사제품)을 0.6wt% 첨가하여 표 1에 나타낸 셀 1, 2, 3을 만들었다. 셀 1 및 2는 모두 트위스트각(α)이 90°, 편광판의 흡수축의 교차각(θ)이 80°이다. △n·d가 0.53㎛인 셀 1은 시각의존성(△ø)은 우수하지만 투과율 변화의 급준성(γ)은 열등하다. 이에 대하여, △n·d가 1.05㎛인 셀 2는 급준성(γ)은 우수하지만, 시각의존성(△ø)이 열등하다. 이와 같이 트위스트각(γ)이 90°, 교차각(β)이 80°라고 하는 종래에 일반적으로 채용되고 있는 구성에서는 급준성(γ)과 시각의존성(△ø)을 동시에 최적치로 하기가 곤란하다. 이것을 해결하기 위한 방법으로서, 트위스트각(α)을 90°보다 크게 하고, 또 트위스트각(α)과 교차각(β)의 차를 20°∼30°로 확대하는 것을 시도해 보았으나 기판표면에 인접하는 액정분자축과 편광판의 흡수축과의 어긋남이 10° 이상으로 되면 선광분산에 의한 착색현상이 현저하게 되어 버린다.

[표 1]

셀 3은 본 발명에 의한 것이며, 트위스트각(α)이 102°, 교차각(β)이 68°, △n·d를 0.74㎛로 설정하고 있다. 트위스트각(α), 교차각(β) 및 △n·d를 이와 같이 설정하므로써, 셀 1의 우수한 시각의존성과 셀 2의 우수한 급준성을 함께 구비하는 특성이 실현됨과 동시에, 선광분산에 의한 착색현상은 실용상 지장이 없을 정도까지 경감된다. 이 구성에 있어서 표시의 배경색은 엷은 황금색을 띤다.

본 발명에 있어서, 표시면전체에 걸쳐서 균일한 배경색을 갖도록 하기 위해서는 전극기판간의 갭을 균일하게 제어할 필요가 있으나, 이것은 표시면전체에 직경이 균일한 그래스파이버편을 스페이서로서 충전하고 액정봉입후 셀내압이 대기압보다 약간 작게 되도록 밀봉하므로써 가능하다.

표 2는 본 발명의 다른 실시예이다. 실시예 2~4에 이용한 조성물 Ⅱ~Ⅳ의 조성을 표 3에 나타낸다. 실시예 2~4는 트위스트각(α), 교차각(β), △n·d를 본 발명의 구성으로 설정하고 있기 때문에, γ, △ø의 양쪽에 대하여 우수한 특성이 실현된다.

TN-LCD의 γ 특성은 액정재료의 탄성계수의 비 K₃/K₁(K₁및 K₃는 각각 스프레이 탄성계수와 굽힘 탄성계수)가 작아질수록 향상한다. 종래에 양호한 특성을 나타내고 있었던 피리미딘계를 주성분으로 하는 액정 조성물의 일예에서는 K₃/K₁=0.75이며, 현재 시판되고 있는 것 중에서 K₃/K₁이 가장 작은 재료는0.75이다. 이 액정재료를 사용한 종래의 액정표시소자, 즉 트위스트각(α)이 90°, 교차각(β)이 80°, △n·d이 1.07㎛인 셀에 있어서, γ는 1.156, △ø는 0.857이다. 실시예 2~4는 이와 동등 내지는 그 이상의 γ 특성을 가지고 있으며, 이것을 보더라도 본 발명이 우수한 효과를 나타내는 것을 명백히 알 수 있다.

[표 2]

[표 3]

본 발명에 이용하는 액정 조성물은 특별히 한정되어 있지는 않지만, 실시예에서 이용한 조성물Ⅰ~Ⅳ 및 이들과 유사한 조성물을 이용한 경우, 특히 큰 효과가 얻어진다.

본 발명은 트위스트각 α=102°, 편광판의 흡수축의 교차각 β=68°, △n·d=0.74로 설정한 경우에 특히 그 효과가 크지만, 트위스트각 α=102°±6°, 교차각 β=68°±5°, △n·d=0.74±0.05의 범위이면 실용상 충분한 효과가 얻어지며, 바람직하게는 트위스트각 α=102°±4°, 교차각 β=68°±3°, △n·d=0.74±0.04의 범위이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 투과율 변화의 급준성 및 투과율의 시각의존성을 동시에 개선하는 것이 가능하고, 고 시분할로 구동하는 TN-LCD의 표시품질의 개선에 극히 우수한 효과를 나타낸다.

Claims

정의 유전율이방성을 가지며 키랄물질이 첨가된 네마틱액정을, 전극을 가진 한쌍의 상측 및 하측기판과 전극상의 배향층과 그 노출면 사이에 봉입하여, 그 두께방향으로 96° 내지 108°의 범위내에서 트위스트된 헬리컬구조를 형성시키고, 상기 상측 및 하측기판상에 배치된 한쌍의 편광판의 흡수축은 63° 내지 73°의 각도를 이루게 하고, 액정측의 두께 d(㎛)와 광 이방성 △n의 곱 △n·d를 0.69㎛ 내지 0.79㎛으로 설정한 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
제1항에 있어서, 상기 배향층은 폴리이미드수지가 피복된 전극 및 노출기판의 표면을 마찰시켜서 형성한 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
제1항에 있어서, 네마틱액정은 98° 내지 106°의 범위내에서 트위스트된 헬리컬구조로 되어 있고, 상기 흡수축은 65°내지 71°의 각도를 이루며, 상기 △n·d는 0.70㎛ 내지 0.78㎛인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
제1항에 있어서, 상기 기판중 하나의 전극은 스트라이프상으로 되어 있고, 그 전극에는 구동전압이 시분할방식으로 인가되는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.